FDM金属3D打印不锈钢成功应用于柴油发动机零件，有望批量生产

南极熊导读：FDM 金属3D打印不锈钢成功应用于重型柴油发动机托架零件，满足高性能要求，而且成本相对较低，有望批量化生产制造。

△FDM 技术3D打印的金属零件。

巴斯夫Forward AM Ultrafuse 316L是一种金属聚合物复合线材，可用于生产316L不锈钢的金属部件。该线材可用于市面上大部分的Bowden或直接驱动式打印机，经过后续脱脂烧结工艺后，可以得到全金属样件。此外，该材料还具备出色的柔韧度，打印前无需进行额外的干燥处理

当企业希望通过增材制造技术改变传统制造方法时，选择经验丰富且值得信赖的3D打印专家合作伙伴是成功的关键。Forward AM 借助其专业增材制造咨询服务以及虚拟工程领域深厚的专业知识，为世界领先的工程机械生产商利勃海尔（Liebherr）零部件部门提供金属线材与增材制造咨询服务，帮助利勃海尔建立“增材制造思维”，通过3D打印出首个零部件原型并有望实现批量化生产。

目前，利勃海尔零部件部门开始进一步转型，并计划推动利勃海尔集团其它生产部门采用增材制造技术。继Forward AM Ultrafuse?316L 金属3D打印线材之后，利勃海尔零部件部门计划将 Forward AM 的先进聚合物粉末、工程级塑料线材及多用途树脂等全系列材料整合到该部门的全球生产中。

那么，是什么原因促使利勃海尔选择巴斯夫Forward AM？让我们来看看两家公司是如何建立起合作关系的。

△利勃海尔零部件部门与 Forward AM 合作项目时间轴与大事记（图片来源：利勃海尔零部件部门）

挑战：建立增材制造思维

位于法国的利勃海尔 SAS 工厂致力于开发、设计、装配和测试用于重型机械的大型柴油机。如下图所示，看起来并不起眼的零部件恰恰是利勃海尔零部件部门向 3D打印成功转型的成果：用于固定驱动该公司重型机械和发电设备发动机的托架。

△打印的托架（红色部分）对护栅（黄色部分）起到支撑作用（图片来源：利勃海尔零部件部门）

解决方案：从虚拟工程到最终成型不锈钢部件

利勃海尔零部件部门对增材制造颇感兴趣，因此向 Forward AM 进一步了解了增材制造技术（尤其是成本效益极高的金属熔丝制造成型技术）在金属零部件生产领域的应用。

凭借其顶尖虚拟工程服务，Forward AM 可为客户找到使用增材制造技术为其行业及企业所能带来的好处，这种虚拟分析能具体到单个零部件的优化。Forward AM 的虚拟工程师全面共享相关知识并提供同步咨询服务，协助利勃海尔零部件部门引入 3D 打印技术。在确定尝试生产发动机托架原型后，利勃海尔零部件部门和 Forward AM 对发动机托架进行数字化仿真优化，并在随后的概念验证阶段生产出实体零部件。

在准备大规模向增材制造工艺转换前，企业必须确信该技术最终生产出的零部件均符合其工程要求和规范，达到精准、可靠、稳定以及安全的标准。为了使利勃海尔确信这一点，Forward AM 虚拟工程师通过数字仿真，精确预测新材料的表现，并展示了最终成型的托架安装于发动机后将会具备的性能表现。

由巴斯夫开发的软件集合Ultrasim? 是 Forward AM 进行大量仿真和虚拟工程时用到的关键工具。利用 Ultrasim?，仿真专家可十分精确地结合材料的复杂属性及行为。

在材料选择上，Forward AM 首选Ultrafuse? 316L 先进金属线材，该材料是制造夹具、固定装置、备件和功能性原型的理想材料，满足利勃海尔零部件的性能需求。

明确最终零部件需满足的要求后，Forward AM虚拟工程师开始设计从概念到最终成品的完整开发过程。由于这个零部件是采用传统生产方式设计和制造，所以我们的第一步是通过数字化拓扑优化，充分利用增材制造优势，确定最佳零部件结构。这一过程只有依赖虚拟工程和采用自由度大幅度提升的3D打印设计才能实现。

△第一步：拓扑优化—黄色箭头表示作用于零部件的机械应力（图片来源：Forward AM）。

工程师通过虚拟方式，基于实际运行中产生的机械应力来确定最佳零部件结构。数字模拟技术可揭示零部件需要保留的部分，如螺钉切口等，以及没有显著的机械或热力应用而可去掉材料的部分。

拓扑优化最终得出全新的零部件结构，极大减轻了重量。然后，Forward AM虚拟工程师采用了只有3D 打印才能实现的设计方式：将点阵结构作为零部件的填充部分，从而再次大幅减轻零部件结构的重量而丝毫不会降低其功能性和稳定性。

△经拓扑优化的金属 3D 打印设计（图片来源：Forward AM）。

由于只在必要处使用材料且整合了点阵填充结构，重新设计后的托架总重量从 343 克减少至 167 克，减轻了超过 50％ 的重量。理论上，重量减轻意味着单个零部件生产成本下降，使用的材料更少，从而缩短了生产过程中的打印时间。

在结构模拟的过程中，Forward AM对刚打印出来的零部件进行仿真模拟， 随后模拟脱脂烧结，得到最终零部件。同时，通过虚拟3D打印的发动机托架的安装与运行，可将其与原有托架的耐机械应力和耐温度应力表现进行比较，从而确保点阵结构在真实的恶劣条件下能达到预期性能。

△应用结构仿真确保零部件能承受住最终应用时的工作负荷（图片来源：Forward AM）

虚拟装配还能确保零部件符合最终用途要求的尺寸。此外，工程师还进行了频率分析，评估四个发动机托架组合到一起能否承受住整个结构极高的工作负荷或是否能达到本征频率。结果表明，新结构本征模表现出的行为与原有的零部件几乎没有差别。Forward AM 虚拟工程师进一步加入了关键的安全性优势，确保打印出的零部件不仅能承受额定工作负荷，还能安全地承受住额定工作负荷 3 倍的应力。

△发动机托架的虚拟装配（图片来源：Forward AM）

成功打印零部件后，对零部件进行全面的 3D 扫描，将该零部件的尺寸与之前生成的模拟数据进行比较。分析尺寸一致性，比较零部件的表面并检查具体尺寸后，即可证实利勃海尔零部件部门最终生产出的零部件具有高精度、高性能特点。

经过上述过程，利勃海尔零部件部门最终同意使用3D打印制造托架并应用于目标用途。利勃海尔零部件部门对托架进行了详尽的测试，确保虚拟分析出的零部件性能在实际生产后符合其严格的质量与功能性标准。为使实际装配过程更加高效，利勃海尔零部件部门要求在新托架上额外加上两道螺栓螺纹。有了“增材制造思维”和增材制造生产方式，这项要求不需要增加任何额外的生产步骤就能实现！
增材制造技术的使用给利勃海尔零部件部门带来诸多好处：托架的生产成本、时间成本及生产出的托架重量均极大减少，同时保证了托架承载能力的一致性。

在对增材制造技术及其优势有了深入了解后，利勃海尔零部件部门现已使用 3D打印机在内部进行打印，并计划在该公司全球各个生产部门推广增材制造。

“通过使用 Forward AM 的 Ultrafuse? 316L 金属线材打印零部件原型，我们实现了主营产品（发动机）3D 打印的目标。”
——利勃海尔零部件部门先进技术专家Hugues Winkelmuller